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導航與時間講座
(中國科學院國家授時中心研究員:李孝輝)
一、導航與時間息息相關
 
1.宇宙
宇宙是什么?
莊子《南華經·尸子》:“上下四方曰宇,往古來今曰宙”,以時間和空間作為宇宙一詞的含義。
《南華經·庚桑楚》:“有實而無乎處者,宇也;有長而無本剽者,宙也”。說明空間是無邊無際的;時間是無始無終的。
時間空間組成宇宙,時間測量和位置測量是人類活動的基本特征,時間和位置是耦合在一起的。
2.位置對確定時間很重要
·日初出蒼蒼涼涼,及其日中如探湯
·月上柳梢頭,人約黃昏后
·日上三竿
3.導航要解決位置問題
導航是將航行體從起始點導引到目的地的技術或方法。
4.根據太陽觀察方向就可以看出,時間對導航的重要性
 早上六點太陽在正東方:中午12點太陽卻在正南:晚上6點太陽又在正西方;半夜12點根本找不到太陽。
5.時間在對各種導航方法中都很重要
※海邊和內陸的標志導航離不開時間
   標志法導航:
   ·我要問到國家授時中心的路,別人會說:“華清池往東,過了會昌路200米”這就是標志導航。
   ·標志法導航,這是最早出現的導航方式。
   ·標志法導航就是根據各種地物、地貌進行導航的方式,通常各種標志判斷我們的位置和千金的方向。
   標志法導航經常被使用:
   ·標志法導航,最多的就是各種標識牌。
   ·在海邊、河中,最常用的就是燈塔。
   ·隨著科技的發展,人們設計了各式各樣的燈塔,形成了使用各種場合的航標,指引船只的航行。對水手來說,那一閃一閃的燈塔是無比親切的。
   現代燈塔發展的難題:背景光影響燈塔
   時間解決了這個難題:同步閃,根據時間控制所有的燈塔同步閃爍。
※大航海時代的天文導航也需要時間
 地球上的緯度容易測量:
   ·北極星的位置是固定的,這提供了一個測量緯度的天然方法。
  ·在地球的不同位置觀測北極星的仰角,根據仰角確定緯度。
   白天看不到北極星怎么辦?
   ·看不到北極星就看太陽,觀測太陽最高點出現時的仰角。
   ·這樣做有巨大的副作用:當時的導航員,90%的都因為觀測太陽而瞎了眼睛。
經度測量的關鍵是時間:
·地球是自轉的圓球,在一個經度出現的北極星、太陽,下一個時刻就會在另一個經度處出現。經度測量是一個困擾了人們上千年的難題。
·這個測量是有竅門的,那就是時間。
·每個地方的本地時間都是不同的,太陽處在最高點是本地時間的中午12點。地球自轉一周,也就是經度轉了360度,時間剛好過了24小時。
     經度差時間差
測量經度就需要測量時間差:
·這項研究有兩個分支:
 --- 天體位置測量:根據天體的相對位置變化確定時間。例如伽利略的木星、衛星法、利用月亮通過某顆星星位置的木星、衛星法
--- 鐘表測量:利用人造的鐘表計時。哈里森花30年,研制出四代航海鐘,最先實現海上經度的測量。
·最后,這兩種方法都在海員中推廣開。
※ 現代的無線電導航更是需要時間
無線電導航的原理:
無線電導航時代,人工建起無線電發射站,測量導航者與發射站的距離實現定位。
時間在無線電導航中的作用,與時間在天文導航中的作用相同。在無線電導航中,
觀測的基本量是時間,根據信號傳播時間計算兩者之間的距離。
       衛星導航系統中,原子鐘分布在各個部分。
一、無線電導航中的四個問題
1.導航的前提
2.導航的基礎
3.導航的心臟
4.導航的未來
經度測量實際上是時間測量:
·地球的旋轉的圓球,測量經度就非常難了,但竅門其實是有的,那就是時間。
·地球每24小時自轉一周,也就是360度。于是,每個小時就相當于經度的15度。只要知道兩地的時間差異,就可以知道兩者之間的經度差了。
·舉例來說,如果知道某地的正午12點正好是倫敦的上午10點,那么久說明此地在倫敦東邊30度的地方。
·于是,經度的問題就轉換成一個等價的問題:如何測量兩地的時間差。這就是導航的關鍵,導航的核心就是時間。
喜帕恰斯給出測量緯度的方法:一起看月食,記下當地的時間就可以了。
但月食很難等到。
1514年,德國天文學家約翰尼斯·沃納提出“月距法”:
月距法的實現,需要三個支撐條件:星星的位置變化;月亮的運行規律;合適的觀測方法。
伽利略說,我們不用月距法。木星的衛星一年要發生一千次衛星食,因此每天總有兩次或三次,而且這種“食”極有規律。
1666年,法國出場了:國王王路易十四。
首相柯爾貝爾:建造巴黎天文臺,不惜一切代價購置世界上最好的天文望遠鏡,聘請歐洲的頂級科學家進行聯合研究,一定要解決經度問題。
·荷蘭的惠更斯:研究的鐘表,很有希望解決經度問題。
發明了惠更斯目鏡,減小望遠鏡圖像缺陷;
發現了土衛六;
發明了測微計,改進望遠鏡的觀測。
·意大利土木工程師卡西尼:
 測量了火星和木星的自轉周期;
編制了確定木星衛星運動的星表;
發明了一種物鏡和目鏡分開的大型望遠鏡。
巴黎天文臺講木星衛星法推廣應用。
“國王陛下,經過三年的觀測,我們認為月亮的運行軌跡太復雜,無法朱雀地預測,因此月距法很難被用來測量經度。我們建議采用推廣伽利略提出的‘木星、衛星法’。——卡西尼
利用木星、衛星法,繪制出完整的世界地圖,人們終于認識到自己家園的完整樣子。
·由于木星觀測難度太大,技術上不可逾越的障礙,用木星、衛星法在海上定位仍然是失敗的。于是,巴黎天文臺在解決經度的問題上徹底的失敗了。
英國也開始努力了
經度法案:凡是有辦法在地球赤道上將經度確定到半度范圍內的人獎勵兩萬英鎊:將經度確定到2/3度范圍內的人獎勵1.5萬英鎊;將經度確定到一度范圍內的人獎勵1萬英鎊。
·為判定解決經度的方案的有效性,政府設立了一個叫經度委員會的機構,負責管理這筆兩萬英鎊的獎金。
·經度委員會組成:皇家學會會長,皇家天文學家,海軍大臣,海軍總司令,下議院議長,牛津和劍橋大學的一些教授。
這項研究有兩個分支:月距法和鐘表法。
鐘表法:簡單(解三角形);精度低(16公里);價格高(500英鎊)
月距法:計算復雜(高級人才);精度高(40公里);價格低(20英鎊)
斗爭的結果
·鐘表大發展:厄恩肖的航海時計只要65英鎊
·零度經線確定:弗拉姆斯蒂德觀測的經線
·精密授時:格林尼治天文臺落球報時
發展的結果:一起使用
 
衛星導航中使用偽隨機碼
·偽隨機碼,顧名思義,就是假的隨機碼。
·偽隨機碼具有很強的自相關性,但不同的偽隨機噪聲碼,或者一個碼的不同部分,互相關性很小。
接收機測量的偽距包括距離和時間。
如果每顆衛星的時間相同,定位就很容易。
但遺憾的是,在納秒量級,星鐘時間是不同的:
·米級的定位,要求納秒的時間同步
·原子鐘的時間會偏離,上面的假設是不成立的。
·需要在導航電文中廣播星鐘的偏差,統一星鐘的時間。
衛星位置的確定與定位原理相同
總結單顆衛星的誤差源
·與衛星相關的誤差
 -- 星歷誤差
-- 星鐘誤差
-- 信號發射通道誤差
-- 相對論改正
·路徑傳播相關誤差
-- 電離層附加時延
-- 對流層折射時延
·接收機相關誤差
 -- 偽碼測距誤差
-- 多徑誤差
 3.導航的心臟——原子鐘協同工作
原子鐘協同工作的道理和放羊是一樣的
·有一個牧羊人,他有幾十只羊,要使羊在他周圍10米遠的地方,他怎么做?
牧羊人需要做的只有四件事
 1)合理設置牧羊人的位置
  2)測量羊與牧羊人的距離
 3)把跑到遠處的羊拉回來
 4)處理與其他牧羊人的關系
1)合理設置牧羊人的位置
衛星導航系統中有很多原子鐘,就像牧羊人的羊一樣,需要將這些羊統一到一個時間標準上,這個標準就相當于牧羊人的位置。
建立原子鐘時間統一的標準:系統時間
       ·使用系統內盡可能多的原子鐘,建立一個穩定可靠的時間標準,稱系統時間。系統時間比每一臺原子鐘都穩定。
        如何定義時間尺度
       ·只需要尋找一個周期現象,從一個起點開始累積這個周期現象即可。
       ·這種物理現象必須有固定的周期,這種現象可觀測、可復現。
       ·按照周期現象的不同,時間尺度分為三種:
         -- 世界時
         -- 歷書時
         -- 原子時
         世界時是使用地球自轉周期,以日為基礎,分出秒的單位。
         世界時是英國格林尼治天文臺的本初子午線的時間。
         經過各種修正后,地球自轉有減慢的趨勢。世界時只能達到10-7的精度,1秒有0.1微秒的誤差。
       人們轉而尋找另一種時間:使用公轉周期的歷書時。
       ·1960年開始采用歷書時:“歷書時的起始時刻是世界時1900年1月1日0時,在此時刻上嚴格與世界時銜接起來;歷書時的秒是1960年1月1日0時開始的回歸年長度的1/31556925.9747。”
       ·歷書時的基本單位是年,將年分成秒。
       歷書時的難點是觀測難度大,精度只有10-9
           太陽的視運動速度比月亮約慢13.37倍。歷書時是根據對月亮的觀測得到的。
           天體運動規律復雜,望遠鏡看到的月亮是發光體,并且邊緣模糊。
       更穩定的時間是原子時。
       ·在1967年的第十三屆世界度量衡會議上,決定采用原子時。
       ·原子時的秒長是這樣定義的“銫133原子在基態的兩個超精細能級結構間零磁場躍遷時,輻射頻率的9192631770個周期持續的時間為1秒”。
       ·選取1958年1月1日世界時的0時為原子時的時間起點,這樣不會造成時間的跳變。(銫原子基態的輻射頻率9192631770Hz,原子時的時間單位秒)
       原子時的特點就是極其穩定:能達到10-12,比歷書時高1000倍。
       原子時受到的最大攻擊:
           如果完全使用原子時,由于地球自轉變慢,按照現在的速度。,5000年差一個小時!三萬年后午夜零點的時候太陽就升起來,這可怎么辦?
           科學家想到了一個和稀泥的方法——協調世界時。
       協調世界時產生
            協調世界時用原子時的秒固定地走,但有時會多出來1秒(也可能少(),保證時刻與世界時的差在0.9秒以內。
       閏秒
            多或少的1秒成為閏秒,一般放在5月31號或者12月31號的最后一分鐘的最后一秒。
            正常的時間:………23:59:58 23:59:59 00:00:00 00:00:01………
            閏秒的時間:………23:59:58 23:59:59 23:59:60 00:00:00 00:00:01………
      協調世界時是目前公認的國際時間標準。
      衛星導航系統的系統時間需要與UT保持一致
      ·GPS時間(GPST)是一個連續的時間尺度,不作閏秒調整。時間起點定義為1980年1月6日0時,到2009年:
        GPST領先UTC(USNO)15秒。GPST溯源到UTC(USNO),導航電文中廣播GPST與UTC(USNO)的偏差模型。
      ·Galileo系統時間(GST)和GPS時間類似,將駕馭到國際時間尺度TAI。它和TAI偏差的估計值將在Galileo導航電文中廣播。
      ·北斗二號的系統時間(BDT)溯源到中國科學院國家授時中心保持的協調世界時UTC(USNO)。
      ·與其他衛星導航系統時間不同的是,GLONASS系統時間引入了跳秒(閏秒),GLONASS的系統時間溯源到UTC(SU)。
      系統時間產生的過程
      好的原子鐘——產生基本的時間信號;
      好的比對方法——了解不同原子鐘的時間差;
      好的算法——加權平均,發揮每一個原子鐘的好處
      測量羊與牧羊人的距離
          放好一群羊,需要定期測量羊與牧羊人的距離,同樣,衛星導航系統中不但要建立一個公共的時間參考,也要定期測量各原子鐘與系統時間的關系這就是時間同步。
      時間同步可以理解為對表
      ·兩個原子鐘時間完全對準
      ·兩個原子鐘的時間差已知
      衛星導航系統的時間同步有多種方式
      衛星導航系統的原子鐘分布在天上、地上,時間同步方式有四種:
      ·適用于地面站間的站間時間同步
        -- 共視時間比對:精度1~5納秒(與兩個站距離有關)
        -- 衛星雙向時間比對:精度1納秒
      ·適用于實驗室內的測量
        -- 頻率測量
        -- 周期測量
-- 時間間隔測量
·適用于星上和地面的星地時間同步
·適用于星間的星間時間同步
共視時間比對(原理)
·住在小鎮兩邊的兩個人,需要比較他們家里的座鐘;
·最直接的方法,鐘表搬到一個房間里進行比較;
·但是,這個過程費時、費力,搬走后就沒有鐘可用;
·共視可以使他們在不移動鐘的情況下實現對鐘;
·讓第三個人在小鎮的中間放焰火,每一個人記下看到火光時鐘讀數,然后交換記錄的數據。
·若第一個鐘讀數是12:01:35,第二個鐘的讀數是12:01:47,通過簡單的相減就可以確定第二個鐘快12秒。
·火光亮起的時間是無關緊要的,重要的是同時看到并且同時記錄時間。
·這就是共視。
雙向時間比對(原理)
    在遠距離時間比對中,這是精度最高的方法,很多國家級實驗室都在使用這種方法。
    兩個人想對表。記下自己的時間后出發(甲——8:00;乙——9:00);
    兩人速度相等,10分鐘后看到對方的表(甲——我的表9:00;他的表8:10;乙——我的表8:00,他的表9:10);
    因為路上時間,兩個人的結論是不同的(甲——他的表慢50分;乙——他的表快70分);
   但兩個人只要把結果平均一下,就能得到正確的結論:(70+50)/2=60。
   兩個表差60分鐘,這個結論是正確的。
   這種方法里,路上花費的多少時間是無關緊要的,重要的是兩個人在路上花費的時間相同。
衛星和地面時間同步
 ·由于地面站的時間同步到了系統時間,衛星與地面同步,以地面站的時間為媒介,就能過渡到系統時間。
 ·同步的精度約為3納秒
實驗室內的頻率測量
 ·單位時間內重復發生的次數
 ·重復一次持續的時間
 ·兩個事件發生的時間間隔
時間間隔測量精度的提高方法:
1.提高計數頻率
2.將此段間隔放大
頻率測量精度的提高方法
把跑到遠處的羊拉回來
    怎么把羊拉回來?一把抓起,丟進羊群是一種辦法,但這種粗魯的辦法會嚇著羊的,比較好的方法是慢慢的把羊趕進羊群。
原子鐘的時間和頻率
·原子鐘的頻率:正弦波,5MHz/10MHz
·原子鐘的時間:每秒一個脈沖,脈沖的上升沿表示時間
·為了實現定位,需要將各原子鐘的時間統一到一起,這就是鐘駕馭
·如何實現原子鐘穩定、可靠、準確的駕馭,是一門學科
駕馭前要考慮哪些因素?
 用戶需求
 ·有些用戶需要時間連續,或者說相位連續
 ·有一些用戶需要頻率連續
 ·根據不同的需要,有不同的駕馭方法
調整相位
·如果不加控制,原子鐘的時間與標準時間會出現偏差,最簡單并且最直接的控制方法是調整相位
·如果鐘差超過預設門限,直接調整到零
·這樣做的副作用是帶來頻率的突變,在調整時刻,頻率是無限大的,對使用頻率的部門是非常不利的
調整頻率
·為了減少直接調整相位的突變,可以調整頻率
·如果鐘差超過預設門限,改變鐘的頻率,使他朝另外一個方向走
·這種調整頻率仍然是不連續的,有個階躍
調整老化
·鐘差超過預設門限值,在老化率上加一個控制量,使鐘緩慢的變化
·這種方法減小了鐘的頻率突變
衛星導航系統的調鐘方法
·衛星導航系統中的用戶,既要使用時間,又要使用頻率。
·因此,衛星導航系統中的用戶需要時間和頻率都連接,但這很難實現。
·因為所有的調整,都會惡化原子鐘的穩定度。
·怎么辦?
·這里就比牧羊復雜了。
·牧羊人只要注意兩個人的位置足夠遠就可以了,但衛星導航系統不能這樣,因為要考慮多系統共用,需要適當處理不同導航系統的時間。
GSTO是各衛星導航系統的系統時間之間的偏差
·GSTO:time offset between GNSSs time

 
GPS時間
Galileo系統時間
時間尺度類型
組合鐘:GPS系統內原子鐘經kalman濾波器平均
主鐘:主動型氫脈澤駕馭
產生方式
主控站完成運算
Galileo的精密時間設施完成
系統接入方式
廣播星載鐘修正量
通過直接時間傳遞或廣播修正量
駕馭到TAI
通過USNO
通過Galileo時間服務
與TAI的偏差
14ns(2004年rms)
50ns(要求95%)
偏差不確定度
9ns(2004rms)
28ns(要求95%)

GSTO的大小和速率
·GSTO的大小:
 
·GSTO的速率:
GPS時間通過的速率駕馭到UTC(USNO)
Galileo系統時間的頻率準確度由于1e-14/s
一般情況下,GSTO的速率優于1e-14
·實際應用中,需要考慮最壞的情況:
·GSTO小于100ns,速率小于1e-13/s
多系統導航的用戶需要GSTO
·對于衛星導航系統的用戶,測量的偽距是每顆衛星的時間與用戶時間的偽距,需要將星鐘的時間改正到系統時間,得到用戶時間與系統時間的偽距。
·如果用戶組合使用不同的衛星導航系統,進行多模導航時,由于系統時間的不同,GSTO將引起定位偏差。
·GSTO引起定位偏差的量為:GSTO×DOP
·多模導航的用戶需要對GSTO進行改正
目前,有三種處理GSTO的方法
·第一種方法:用戶自主結算GSTO值
 -- 使用兩個導航系統的用戶,接收五顆衛星的信號,解算五個未知數(x,y,z,t,GSTO)
 -- 使用三個導航系統的用戶,接收六顆衛星的信號,解算六個未知數(x,y,z,t,GSTO1,GSTO2)
·第二種方法:導航系統廣播GSTO值
-- 用戶接收并使用,這樣,多模導航的用戶只需要接收4顆衛星就可以定位,這在多遮擋環境中非常有利
·第三種方法:第三方廣播GSTO的值
 --使用其他系統(如IGS)廣播的GSTO的值
·第一種方法是接收機方法,后兩種方法基本相同,屬系統級方法
導航電文廣播的GSTO精度5ns,因此:
    在開闊環境,接收機自主解算GSTO較好;
    在多遮擋環境中,使用導航電文中的GSTO較好
基于UTC(NTSC),可以確定GSTO
·國家授時中心保持中國的標準時間UTC(NTSC),并監測每個衛星導航系統的系統時間與UTC(NTSC)的差:
      UTC(NTSC)-GPST,UTC(NTSC)-GLONASS Time,UTC(NTSC)-BDT,UTC(NTSC)-Galileo Time
·基于這些數據,可以獲得GSTO的值
高精度與高完好性
多系統兼容與互操作
    衛星導航系統將要超過六個,需要實現多系統的兼容與互操作優點:提高精度
完好性和可用性,增強抗干擾能力
各種環境下的無縫導航
深空導航:隨著人們探險的腳步邁向深空,在深空的導航問題是需要解決的問題。
 
從茹毛飲血時代開始,人類就開始進行探險,對導航的需求就開始了,這促進了整個科技的發展。
人類探險的步伐不會終止,導航的需求就不會終止,隨著人類探險的范圍擴展和精細度提高,對導航的需求也會永無止境的發展。
結束語
導航與時間——從古至今,時間與導航都很重要
導航的前提——在地球上劃出精確的經緯度
導航的基礎——偽隨機碼測距定位
導航的心臟——原子鐘協同工作
導航的未來——現代導航仍有很多問題需要解決
 

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